波形轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電信科xxx班 指導(dǎo)老師： 工作單位：武漢理工大學(xué)理學(xué)院 題目：波形轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)初始條件：直流穩(wěn)壓電源一臺(tái)、萬(wàn)用表一塊、面包板一塊、元器件若干、剪刀、鑷子等必備工具要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）1、 技術(shù)要求：設(shè)計(jì)一種波形轉(zhuǎn)換電路，要求產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波，并且能夠?qū)崿F(xiàn)方波轉(zhuǎn)換為三角波。測(cè)試并且記錄下不同頻率下的方波和三角波的波形圖，以及輸出電壓值。2、 主要任務(wù)：（一）設(shè)計(jì)方案（1） 按照技術(shù)要求，提出自己的設(shè)計(jì)方案（多種）并進(jìn)行比較；（2） 以集成電路運(yùn)算放大器LF353為主，設(shè)計(jì)一種波形轉(zhuǎn)換電路（實(shí)現(xiàn)方

2、案）；（3） 依據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行預(yù)答辯；（二）實(shí)現(xiàn)方案（4） 根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案，畫(huà)出電路圖；（5） 查閱資料，確定所需各元器件型號(hào)和參數(shù)；（6） 在面包板上組裝電路；（7） 自擬調(diào)整測(cè)試方法，并調(diào)試電路使其達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；（8） 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，進(jìn)行答辯。3、 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：封面：題目，學(xué)院，專(zhuān)業(yè)，班級(jí)，姓名，學(xué)號(hào)，指導(dǎo)教師，日期任務(wù)書(shū)目錄（自動(dòng)生成）正文：1、技術(shù)指標(biāo)；2、設(shè)計(jì)方案及其比較；3、實(shí)現(xiàn)方案；4、調(diào)試過(guò)程及結(jié)論；5、心得體會(huì)；6、參考文獻(xiàn)成績(jī)?cè)u(píng)定表時(shí)間安排：課程設(shè)計(jì)時(shí)間：20周21周20周：明確任務(wù)，查閱資料，提出不同的設(shè)計(jì)方案（包括實(shí)現(xiàn)方案）并答辯；21周：按照實(shí)現(xiàn)方

3、案進(jìn)行電路布線并調(diào)試通過(guò)；撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或負(fù)責(zé)老師）簽名： 年 月 日 目錄1 技術(shù)指標(biāo)12 設(shè)計(jì)方案及其比較12.1 方案一12.1.1 設(shè)計(jì)RC文式橋振蕩器22.1.2 設(shè)計(jì)過(guò)零比較器32.2 方案二42.3 方案比較53 實(shí)現(xiàn)方案53.1 實(shí)驗(yàn)原理圖53.2 工作原理63.2.1 設(shè)計(jì)方波發(fā)生器63.2.2 設(shè)計(jì)積分器73.3 各元器件功能93.4 測(cè)試線路布線圖94 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論104.1 調(diào)試過(guò)程104.2 結(jié)論105 實(shí)驗(yàn)心得116 參考文獻(xiàn)12 波形轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)1 技術(shù)指標(biāo)。 設(shè)計(jì)一種波形轉(zhuǎn)換電路，要求產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波，并且能夠?qū)崿F(xiàn)方

4、波轉(zhuǎn)換為三角波。測(cè)試并記錄下不同頻率下方波和三角波的波形圖，以及輸出頻率。2 設(shè)計(jì)方案及其比較。2.1 方案一先利用RC文式橋振蕩器產(chǎn)生正弦波，再利用過(guò)零比較器把正弦波轉(zhuǎn)化為方波，最后利用積分器把方波轉(zhuǎn)化為三角波。其仿真圖如圖1。 圖1 正弦波法電路運(yùn)行仿真輸出波形如圖2所示： 圖2 正弦波發(fā)輸出波形2.1.1 設(shè)計(jì)RC文式橋振蕩器 RC文式橋振蕩電路如圖3所示，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是選頻網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)兼有正反饋網(wǎng)絡(luò)功能，另外增加了R3和R2負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。由于f=f0= 時(shí)，F(xiàn)Vmax=；為滿足振幅平衡條件=1，所以如圖3所示，加入R3和R4支路，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。 F=1+=3 （1） 圖3 RC文式

5、橋振蕩器 運(yùn)行仿真輸出波形如圖4所示：圖4 RC文式橋振蕩器輸出波形2.1.2 設(shè)計(jì)過(guò)零比較器圖5所示為實(shí)用的過(guò)零比較器波形轉(zhuǎn)換電路，圖中R1為限流電阻，防止vi過(guò)大時(shí)損壞運(yùn)算放大器；D1和D2位輸入保護(hù)二極管，限制輸入電阻幅度不變。輸出回路R2為限流電阻，D3和D4構(gòu)成雙向穩(wěn)壓二極管，完成輸出電壓雙向限幅，使得輸出電壓的幅度限制為Z。當(dāng)輸入為正弦波信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)零比較器波形變換，輸出為方波信號(hào)，電壓幅度為正負(fù)電源電壓；輸出為方波，但電壓幅度為Z。 圖5過(guò)零比較器電路電路運(yùn)行仿真輸出波形如圖6所示：圖6過(guò)零比較器輸出波形2.2 方案二利用振蕩電路同時(shí)產(chǎn)生方波和三角波，其仿真圖如圖7。方波轉(zhuǎn)化為三

6、角波電路圖如圖7所示為具有三角波和矩形波輸出的振蕩電路。該電路由密勒積分器U1B和斯密特觸發(fā)器U1A構(gòu)成，可以產(chǎn)生三角波和矩形波輸出。振蕩頻率由密勒積分器的時(shí)間常數(shù)R1C1和觸發(fā)器的滯后電壓Vcc(RV1+RV2)/( RV1+RV2+R1)確定，其中為Vcc電源電壓。調(diào)節(jié)電阻R1可以改變振蕩頻率，而調(diào)節(jié)電阻RV2既可以改變?nèi)遣ǖ妮敵龇?，也可以改變振蕩頻率。U1B輸出三角波，U1A輸出矩形波，它們之間相位差為90度。 圖7 自激振蕩法電路2.3 方案比較方案一較為復(fù)雜，主要有三個(gè)部分組成，即RC文式橋振蕩器、過(guò)零比較器和積分器，其中頻率可調(diào)實(shí)現(xiàn)起來(lái)，要同時(shí)調(diào)兩個(gè)滑動(dòng)變阻器的電阻，實(shí)用性不強(qiáng)

7、，仿真圖比較繁瑣。方案二利用自激振蕩直接產(chǎn)生方波和三角波，仿真圖最簡(jiǎn)單，而且有兩個(gè)滑動(dòng)變阻器分別調(diào)節(jié)輸出波形的幅度和頻率。3 實(shí)現(xiàn)方案3.1 實(shí)驗(yàn)原理圖先利用方波發(fā)生器產(chǎn)生方波，再利用積分器把方波轉(zhuǎn)化為三角波。其仿真圖如圖8所示： 圖8 方波發(fā)生器法電路 運(yùn)行仿真輸出波形如圖9所示： 圖9 方波發(fā)生器法輸出波形3.2 工作原理先利用方波發(fā)生器產(chǎn)生方波，再利用積分器把方波轉(zhuǎn)化為三角波。3.2.1 設(shè)計(jì)方波發(fā)生器方波發(fā)生器利用施密特觸發(fā)器，再增加少量電阻、電容元件，如圖10所示，R和C組成的積分反饋電路。該發(fā)生器具有負(fù)反饋和正反饋，其中電路的正反饋系數(shù)為 F= （2） vP=vO （3）在接通電源

8、的瞬間，輸出電壓究竟是處于正向飽和或是負(fù)向飽和，這是隨機(jī)的。假設(shè)初始輸出電壓為負(fù)向飽和，即vo=VOL，則加到運(yùn)算放大器同向輸入端的電壓為vP=VOL，而加于反向端的電壓由于電容器C上的電壓vc不能突變，只能由輸出電壓vo通過(guò)負(fù)反饋電阻R按指數(shù)規(guī)律向C充電來(lái)建立，顯然vc當(dāng)vc愈來(lái)愈負(fù)，直到比FVOL還要?。ǜ?fù)）時(shí)，輸出電壓立即從負(fù)飽和值VOL迅速翻轉(zhuǎn)到正飽和值VOH。這時(shí)加到運(yùn)算放大器同向輸入端的電壓vP=vOH，而加于反向端的輸入電壓由于電容器vc不能突變，只能由輸出VOH對(duì)電容反向充電VC。當(dāng)vc愈來(lái)愈正，直到比FVOH還大（更正）時(shí)，輸出電壓立即從正的飽和值VOH翻轉(zhuǎn)到負(fù)飽和值VOL

9、。如此循環(huán)下去，形成方波輸出，如圖11所示。根據(jù)一階RC電路的三要素法有周期和頻率計(jì)算如下 T=T1+T2=2RCln (4) 圖10 遲滯比較器構(gòu)成的方波發(fā)生器運(yùn)行仿真輸出波形如圖11所示： 圖11 方波發(fā)生器輸出波形3.2.2 設(shè)計(jì)積分器電路如圖所示，用電容C代替反饋電阻，利用“虛短”和“虛斷”兩條法則求vovi的關(guān)系，有 vN=vP=0(虛地) （5） iC=C=c=-c （6）由節(jié)點(diǎn)電流法可知 IR=iC （7） =-c （8） vo=-dt （9）式（9）表明，vovi積分關(guān)系，負(fù)號(hào)表示輸入和輸出信號(hào)相位相反。當(dāng)vi為定值時(shí)，電容將恒流充電，輸出電壓為 v=-t （10）可見(jiàn)v0與t

10、呈線性關(guān)系，該電路可作為示波器的掃描電路，也可實(shí)現(xiàn)雙積分轉(zhuǎn)換器。雙積分轉(zhuǎn)換器是一種常用的高精度的轉(zhuǎn)換器，其中R2為平衡電阻，以使運(yùn)算放大器的輸入級(jí)差動(dòng)放大器平衡對(duì)稱(chēng)，提高運(yùn)算精度，R2=R|。若積分器輸入矩形波，其輸出波形如圖12所示。 圖12 積分器電路運(yùn)行仿真輸出波形如圖13所示。 圖13 積分器輸出波形3.3 各元器件功能RV1與C1共同構(gòu)成一節(jié)RC選頻網(wǎng)絡(luò)，選出合適的方波，通過(guò)調(diào)節(jié)RV1的阻值，調(diào)節(jié)輸出方波從而控制輸出三角波的頻率。R1與R2組成負(fù)反饋，控制輸出方波的頻率。輸出波形的周期：2RClnR3與C2共同組成負(fù)反饋，構(gòu)成積分器。LF353其引腳主要功能如下：1運(yùn)放A輸出端 ；2

11、運(yùn)放A負(fù)輸入端；3運(yùn)放A正輸入端；4負(fù)電源電壓；5運(yùn)放B正輸入端；6運(yùn)放B負(fù)輸入端；7運(yùn)放B輸出端；8正電源電壓。LF353的總體電路設(shè)計(jì)還是比較簡(jiǎn)潔的，此類(lèi)拓?fù)湓谀壳暗墓β蔬\(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中是主流：輸入放大級(jí)是由兩只P溝道JFET組成的共源極差分電路，并且鏡像恒流源做負(fù)載來(lái)提高增益；在輸入差分放大級(jí)和主電壓放大級(jí)之間是一個(gè)由射極跟隨器構(gòu)成的電流放大級(jí)，用來(lái)提高主電壓放大級(jí)的輸入阻抗和共源極差分電路的負(fù)載增益；主電壓放大級(jí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的單級(jí)共射極放大電路，為了保證放大器的穩(wěn)定性，在主電壓放大級(jí)的輸出端到輸入差分放大級(jí)的輸出端加入了一個(gè)電容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，跟補(bǔ)償電容并聯(lián)的二極管保證單級(jí)共射極放大電路構(gòu)成的

12、主電壓放大級(jí)不進(jìn)入飽和狀態(tài)工作；輸出電流放大級(jí)是NPN和PNP構(gòu)成的互補(bǔ)射極跟隨器，兩個(gè)100的電阻用來(lái)穩(wěn)定輸出電流放大級(jí)的靜態(tài)電流，200的電阻用來(lái)限制輸出短路電流。性能參數(shù)：雙列直插8角封裝。電源電壓。開(kāi)環(huán)電壓增益110db。偏置電流50p。轉(zhuǎn)換速率13V。輸出電壓3.4 測(cè)試線路布線圖測(cè)試線路布線圖如圖14所示。 圖14布線圖4 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論4.1 調(diào)試過(guò)程 先固定兩個(gè)LF353，再?gòu)牡亻_(kāi)始接線。參照仿真圖從左向右依次連接元器件，元器件選擇要合適。注意接地線要連接準(zhǔn)確，LF353的4和8管腳要分別接直流電源。調(diào)試時(shí)，先把直流電源的兩個(gè)電源的正負(fù)極相連作為地，以便輸出的直流電壓。把兩個(gè)L

13、F353的4和8管腳分別對(duì)應(yīng)連接在一起。然后與直流電源的正負(fù)極連接起來(lái)。把三個(gè)地連接到一起與直流電源的地相連。用萬(wàn)用表檢測(cè)LF353的4和8管腳的電壓，并檢測(cè)電路中其他元器件間是否導(dǎo)通。再把示波器的正極分別與輸出波形的輸出端相連，負(fù)極接地。按auto，觀察輸出的波形，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，使輸出波形的頻率便于計(jì)算。斷開(kāi)電源，測(cè)量RV1的阻值，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄在表一中，輸出波形如圖15所示。輸出頻率計(jì)算值：f理論= （11） 表一 Rv1阻值和輸出波形頻率Rv1f實(shí)際f理論12.042.502.4524.061.251.2336.030.8330.829 圖15 布線輸出波形 4.2 結(jié)論觀

14、察輸出圖形和上表數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)誤差可以看出，在誤差允許的范圍內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確，線路布線圖正確，產(chǎn)生了頻率可調(diào)的方波，并且能夠?qū)崿F(xiàn)方波轉(zhuǎn)換為三角波。5 實(shí)驗(yàn)心得這是第一次做課程設(shè)計(jì)，開(kāi)始心情比較激動(dòng)，想著自己能夠設(shè)計(jì)一些東西，把所學(xué)應(yīng)用于實(shí)際，格外興奮。預(yù)答辯前，老師要求3種方案，一直苦思冥想，在參考書(shū)上查閱類(lèi)似的知識(shí)，花了很久，勉強(qiáng)弄出兩種方案，原因是忽視老師所說(shuō)的至少一種方案要用到LF353，我所設(shè)想的方案全部是以LF353為基礎(chǔ)的。最后不得已在網(wǎng)上找了一種方案，通過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)，自激振蕩產(chǎn)生方波和三角波。給我的啟示：一定要緊扣字眼，老師說(shuō)的每一句話必有其用意，認(rèn)真對(duì)待每一件事，那怕是一件很小的

15、事。凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢。預(yù)習(xí)必不可少，好好預(yù)習(xí)更加重要。這個(gè)實(shí)驗(yàn)完全靠自己來(lái)完成，考驗(yàn)我們的自學(xué)能力，我們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)之前要做一系列準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備工作做得充分，實(shí)驗(yàn)才會(huì)順利，在布線時(shí)，在網(wǎng)上查了LF353的一些參數(shù)，也知道LF353是雙運(yùn)放，但是沒(méi)有理解雙運(yùn)放的本質(zhì)，在布線時(shí)，憑著主觀臆斷布線，結(jié)果調(diào)試時(shí)，怎么也出現(xiàn)不了波形。治學(xué)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)，不能只學(xué)習(xí)皮毛，要挖掘本質(zhì)。一切的學(xué)習(xí)都是為了實(shí)際的應(yīng)用，理論知識(shí)再?gòu)?qiáng)，不會(huì)應(yīng)用只是學(xué)習(xí)的機(jī)器。做實(shí)驗(yàn)要踏踏實(shí)實(shí)，一步一個(gè)腳印，不要想跳過(guò)任何一步。在調(diào)試時(shí)，布線正確無(wú)誤，可是一直沒(méi)有輸出波形。把布線圖拆了3次，重新接一直找不到錯(cuò)誤。最后迫不得已每一個(gè)元器件都

16、檢查一下，驚訝的發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)變阻器的阻值一直是0，所以沒(méi)有輸出波形。雖然花了很長(zhǎng)時(shí)間才找到問(wèn)題，但我慶幸自己這一次在這里煩錯(cuò)誤，以后我不會(huì)在這里犯錯(cuò)誤。在做實(shí)驗(yàn)之前，先檢查實(shí)驗(yàn)儀器，布線完成后，要檢查布線圖，一切檢查完成后再測(cè)量數(shù)據(jù)。在撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告之前，對(duì)word一無(wú)所知，只是覺(jué)得word自己學(xué)習(xí)起來(lái)很吃力，不想學(xué)，學(xué)了也不知道有什么用處。因此，只會(huì)簡(jiǎn)單地在word里打字。撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告迫使我不得不學(xué)習(xí)word，這幾天我學(xué)習(xí)了許多關(guān)于word的應(yīng)用，覺(jué)得學(xué)到了很多東西。有時(shí)候看起來(lái)很難得事情，只要你用心去做，你一定會(huì)做好。不要為自己的失敗找借口，自己的失敗都是自己造成的。不要總是等著別人去逼你學(xué)習(xí)，

17、我們得自己學(xué)習(xí)。學(xué)會(huì)如何自我學(xué)習(xí)。我自身還存在很多不足，以后的改正。6 參考文獻(xiàn) 1吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，2009 2童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2009 3周新民.工程實(shí)踐與訓(xùn)練教程.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表姓 名 性 別男專(zhuān)業(yè)、班級(jí)電信科xxx班課程設(shè)計(jì)題目：波形轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄：老師提問(wèn)：“請(qǐng)你講述一下你的三個(gè)方案的區(qū)別？”我今天采用了三種方案，方案一首先利用自激振蕩產(chǎn)生正弦波，再利用過(guò)零比較器把正弦波轉(zhuǎn)化為方波，最后利用積分器把方波轉(zhuǎn)化為三角波。方案二首先采用方波發(fā)生器產(chǎn)生方波，在利用把方波轉(zhuǎn)化為三角波。方案三采用RC自激振蕩同時(shí)產(chǎn)生方波和三角波。我的三個(gè)方案頻率都可調(diào)。但方案一由三部分組成，比較麻煩，而且調(diào)節(jié)起來(lái)不方便，需要同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)滑動(dòng)變阻器的阻值，第二個(gè)方案相對(duì)比較簡(jiǎn)單，方波發(fā)生器很容易產(chǎn)生方波，而且調(diào)節(jié)頻率也方便，我比較傾向于這種方案。方案三是自激振蕩產(chǎn)生三角波，這種方案電路圖最簡(jiǎn)單，但部分原理我還沒(méi)有弄懂?！崩蠋熖釂?wèn)：“如果讓你采用你